天外天：人類和黑暗宇宙的故事

(摘錄推薦序／錢致榕教授)

這是一本難得的科普散文集。

本書作者李傑信博士很難得地具備了三個條件：專業知識、生花妙筆及科學熱忱。這些條件源自李博士受的是嚴謹的物理訓練，在美國航太總署工作30多年，負責太空的科學計畫，熟悉太空科學及技術問題；有豐富的想像力及流順的文筆；最重要的是，李博士對全書題材──生命、太空與宇宙有一個終身的熱愛。多年來，不斷地在發表科普散文。

作者從小喜歡探討人類起源，中年時從事太空事業，最後由於技術及物理學的急速發展，開始探究宇宙的起源及結構，並且究問「天外是否還有天外天？」

全書13章分為三部分；第一部分包括第1、2章，從人類考古及去氧核醣核酸序列談人類起源和演化，並紀錄了美國社會在這個問題上的爭議。

第二部分包括第3至7章，是作者在美國航太總30年工作經驗，細述人類太空50年：從冷戰時期兩霸相爭中萌芽，成功登陸月球，到太空站的建立及心有餘力不足地使用，在月球建立基地的夢想，以及中國的崛起參與人類的太空事業。作者不但把環環相扣的技術細節逐一說明，並從人類社會的觀點看美蘇之爭及興衰、新興國家的崛起，紀錄50年來人類太空科技事業。

第三部分包括第8至13章。挾著太空50年的技術進展，及近30年物理學標準模型理論的建立。回頭自問：宇宙如何產生？如何演化？未來如何？在建立了人類所處的宇宙的知識框架之後，終於可以問下一個問題，也就是本書的書名：是否還有「天外天」？

本書還有兩個特點， 它不只是像一般的科普書籍介紹科學新知，還提供了人類及宇宙起源的宏觀框架，幫助讀者在看完本書後更容易吸收日後遇到的新微觀知識。最後，作者在第一部分及第三部分裡，深入淺出地提供了一些科學上的基本理論，鼓勵讀者自己循序思考，推論出下一步，把它消化吸收，變成自己的知識的一部分，而不只是被動地閱讀，然後忘卻。

李傑信博士（Mark Lee）

臺灣大學物理系畢業，洛杉磯加州大學物理博士、麻省理工學院科技管理碩士。先入加州理工學院噴射推進實驗室，後進美國航空暨太空總署（NASA）總部，擔任太空任務科學家和資深技術顧問，管理太空基礎物理科學飛行實驗任務。

李博士發表過60餘篇科學及科技管理論文，曾獲頒NASA「傑出成就獎章」、「傑出服務獎章」和太空人辦公室「銀斯努匹獎」；又獲太平洋國際太空學會頒發「國際太空年松長紀念獎」。在臺灣，曾獲「李國鼎通俗科學寫作第一獎」、行政院新聞局「優良圖書金鼎獎」和臺南第一中學「傑出校友獎」等。

此外，他熱心投身科普教育，成立「美國促進中國科普協會」，並擔任會長；舉辦過兩屆「中國青少年太空梭科學實驗活動」。著有中文科普書籍《追尋藍色星球》、《我們是火星人？》、《生命的起始點》、《別讓地球再挨撞》。曾任《中國時報》「浮士繪版」和中國《中國科技財富雜誌》的專欄作家。

(摘錄自序／李傑信博士)

我唸中學時，正處臺灣「聯考」制度鼎盛時期，每天從早到晚，埋首於教科書中，想的就是考上第一志願。偶爾有幾本小說在同學中傳閱，像《基督山恩仇記》和《查泰萊夫人的情人》，在寒假的被窩中慢慢享受，快樂無窮。但在課外讀物中，給我印象很深的，還有一些有關人類起源、演化的科普散文。哪本雜誌，作者是誰，都從記憶中消失了。清晰記住的，就是原始人類在夜幕蒼穹下，蹲坐於穴居洞口，敬畏無知地仰望著點點繁星，畫面充滿了人類緩慢演化的步調，和那化解不開的夢幻色彩。很難想像，他們的子孫僅僅用了不到地球生命發展史萬分之一的時間，就從穴居飛入了太空，遨翔於宇宙繁星之間。

幾十年過去了，閱讀古人類文章竟成了我終身嗜好。2007年底，在中國河南許昌市靈井鎮一批古人類化石出土了。化石的年代被定位於8萬至10萬年前，正是西方學者以現代活人體內基因突變證據，推論現代智人從非洲大規模移民擴散時期。非洲原住民的基因，的確已混入世界每個人種的細胞中，包括中國龍的傳人。「許昌人」引起我極大興趣。她的出現，能加強黃土地上化石證據的力度嗎？

我的成長過程中，曾受到強烈的基督教文化影響。中學時，牧師每個星期天都說，信耶穌死後就能進天堂。我當時想，世界上竟然有這麼好康的事？這可是一本萬利的生意啊！大學唸的是物理，我以一些膚淺的物理定律，開始質疑「神造世人」的真實性，為此，還接受了傳教士的建議，在臺大對面的浸信會教堂受了洗。領洗後，我就醒了。2005 年底，「智慧設計」是否為科學學說，打進美國聯邦法庭，我以「人的審判」一文，謹記此歷史事件。

大學畢業後，繼續物理專業。雖然冷戰時期的美蘇太空競賽，在人類登月時已告結束。但這場科技拼搏，卻把我的一生，帶進了不食人間煙火的太空事業。30年過去了，我再回頭重新評估過去50年人類在太空這條路上的風火顛簸行程。我身上流著炎黃子孫的血液。中國在二十一世紀的太空崛起，雖然比西方遲了近40年，但是在很努力認真地前行，從「神五」上天，到「神七」出艙活動，一步一個腳印，我也跟著記載了這段中國載人航天發展史。

美國在太空梭「哥倫比亞號」出事後，太空策略做政治性的大轉向，放棄了「國際太空站」計畫，又領大家「回月球、去火星」。要在月球建前哨站，蹲點長駐，勢必要先在月球找到水源。月球的水源以「水冰」狀態存於南、北極的月表下。要找到這個水冰礦，就得以特製的衛星撞月。西歐、印度和中國已在近年撞月，日本和美國跟進，月球三天兩頭被人類的飛行器碰撞，早已鼻青臉腫，高貴貞潔不再，海誓山盟失憑。

在滿天飛揚的月塵中，人類也可能探測到珍貴的氦3。人類未來要積極開發綠色的核融合能源，月球上的氦3會將取之不盡、用之不竭。我在「撞月」一文後，又作一篇「瓶裝太陽」。

我人生的至愛，還是那廣漠無涯的宇宙。星光燦爛，但我們知道宇宙的「第一道光」發自何時何地？1990 年代後，人類熟悉的宇宙變暗了。「黑暗的宇宙」充滿了我們未知的暗能量和暗物質。天上的規模動輒上億光年，人類怎麼在天上量距離？量角度？天庭中有好幾把神祕的「天尺」，我們可以使用它們來追蹤理解那深沉的黑暗宇宙。還有，我們生存其中的、137億年老的、930 億光年大小的宇宙是唯一的宇宙嗎？它外面還有宇宙嗎？如果真的有「天外天」，那個天有多大？有幾個？說宇宙一定得談黑洞，因為它是宇宙中最神祕的星體，人類對它的內部結構和奇異點的物理行為，還在無知階段。黑洞很可能是一把打開宇宙終極奧祕的金鑰匙。

書中每個主題，力求在大格局的概念上，勾畫出一幅完整的圖像。要求自己客觀、均衡，但終免不了熱情有餘，冷靜不足。假如您投資了寶貴的時間成本，靜下心來讀完這本書，合起書扉，我希望您能從這本書學到些什麼呢？

在廣漠無邊的宇宙中，我們雖然渺小到幾近微不足道，但我期盼您能仔細品嚐，人類玲瓏智慧在宇宙中偉大的成就。人類的存在竟然是如此的珍貴，像是鑲在蒼穹中一粒晶瑩的鑽石，為死寂的太空灌注了無比的歡樂和活力。

我要您放眼永恆無窮的宇宙，再回頭看在地球上生活的芸芸眾生，在人性貪、嗔、痴三毒的煎熬下，甜酸苦辣瞬時即過，重要的是用您的智慧，掌握生存在世的價值。

承蒙我的大學同窗至友胡承渝先生， 在百忙之中，為本書做了一次關鍵性的技術校讀。

推薦序 錢致榕（國立政治大學講座教授）
自序

1 從「許昌人」說起
2人的審判
3人類太空50年
4漫談「對接」和「出艙」
5談「神七」的出艙任務
6回眸「神七」
7撞月
8瓶裝太陽
9第一道光
10黑暗的宇宙
11天尺
12天外還有天外天
13黑洞
後記
索引

書摘1

達爾文的物種演化所需時間動輒數億年。在十九世紀，伴隨著工業起飛，開山挖洞，地質學突飛猛進。專家注意到，英國南方有個山谷，需要3億年才能侵蝕成形，足夠達爾文的物種演化所需時間。但當代幾位最有權威的物理學家，包括執學術界牛耳在內的凱文（William Thomson Kelvin, 1824-1907），不以為然，提出疑問：地球真的那麼老嗎？

物理學家提出合理命題：因為太陽系先有太陽，後有地球，所以地球的年齡，不可能超過太陽的年齡。十九世紀中下旬，對太陽能源的理解，來自牛頓力學中位能轉換成動能的概念：太陽本來很大，最外層的物質地勢高、位能大，材料逐漸被燒掉後，太陽變小了，外層的物質向太陽中心墜落，位能變成動能，動能撞到太陽表面生熱。這分熱變成陽光，普照太陽系，給地球生物帶來生命起源和演化的原始能量。

計算太陽在重力場中位能、動能的轉換，是大一微積分的功課，過程需要層層積分。但即使計算到太陽以蠟炬成灰淚始乾收場，也就是所有物質掉到太陽核心，位能用盡，把燃料全燒光，太陽也只能供應日光能18,220,650年，略少於2千萬年。所以結論是：地球年齡不能大於2千萬年。

這個由學霸凱文推論出來的權威結果，給達爾文帶來了困惑：地球真的這麼年輕啊？我的演化論錯了嗎？直到達爾文1882 年過世時，這個疑慮始終沒有得到紓解。

人類在1896 年偵測到原子核的放射現象。1905年愛因斯坦發表狹義相對論，證明物質通過E=mc2公式，轉換成能量。1920年阿斯頓（Francis William Aston, 1877-1945）量出4個氫核子比1個氦核子重出千分之七，即0.7%。

氫核子擁有1個質子，氦核子的質子、中子各2。由4個氫核子融合成1個氦核子的步驟有些複雜，一直到1938 年才由貝特（Hans brecht Bethe, 1906-2005）敲定，總的結果是，如果太陽千分之七的質量完全以愛因斯坦E=mc2公式轉換成能量，以今天的熱度而言，太陽至少還能燒上1,000億年！

在二十世紀初，人類經由天外飛來的隕石中放射性元素的半衰期測量，證實太陽的年齡為46億年，地球也略等。其實太陽並無法把千分之七的質量完全轉成能量，燒上1,000億年。太陽的壽命其實只有100億年，現已燃燒了46億年，剛走到生命的一半，正值青春鼎盛、日正當中的金色年華。

凱文，您錯了！達爾文，您的物種有足夠的時間演化，安息吧！

書摘2
從邏輯上來講，載人航天能力的發展順序，應該是要先「對接」（docking），把艙內的事做好， 再進行「出艙活動」（extravehicular activity, EVA）。但「對接」需先送上靶標，成本高、技術難；而「出艙活動」只需出艙服和氣閘艙，成本低且易行。所以蘇聯挑容易的先做，在1965年搶先發展「出艙」技術，到1969年才完成「對接」。美國本想依邏輯順序，先「對接」，後「出艙」，但蘇聯搶了出艙「太空漫步」的風頭，美國只好匆忙跟進，在蘇聯完成「太空漫步」兩個半月後，也先行完成「出艙」動作，次年才成功「對接」，做好1969年7月2日人類登月的準備。

如果您是太空人，開的是太空船，那您得與「商店」先「對接」，才能進去辦事。事辦完了，太空船機件故障，您就必須得「出艙活動」，排除故障後，才能返航。其實在地球軌道上「對接」前，還有一個關鍵動作，那就是太空船要先找到目標「商店」與它「會合」（rendezvous）。地球上的商店是一棟建築物，固定在地面上，挪不了地方，走過頭了，大不了掉頭回來，遲早能找到，與它「會合」，再走進去和它「對接」成功。要知道，最高速度的槍子兒大約是以2至3倍的音速飛行，但在地球軌道上的「商店」，則是以25倍的音速在太空中奔馳！太空船要追上目標「商店」，必須比用槍子兒打槍子兒還要快10倍。所以要在太空中「會合」，本身就是一項高難度動作。目標找到，「會合」了，最後還要精確地「對接」，更是難上加難。

書摘3
上天前，兩位太空人已完成達至任務需求程度的排氮程序。「黎明2號」的艙壓為70千帕純氧（一大氣壓為101.3千帕），出艙服為40千帕純氧。里奧諾夫拉著5.35公尺長的「臍帶」出艙後，發現搆不著裝在大腿部位的照相機拉繩，幾經掙扎，只好放棄（作者按：在微重力下，拉繩位置可能和地面模擬訓練時不同。在太空中他可能還是搆得到，只是摸錯了地方）。人類第一次出艙存照是由另一架攝影機拍下，為電影膠卷片，影像模糊不清。

「黎明2號」的「氣閘艙」是軟性氣球式設計，經濟、簡單、實用。進入軌道後，「氣閘艙」充氣伸出。標準的出艙程式是：進入「氣閘艙」；關上內氣閘門，抽氣至真空；開外氣閘門，頭上腳下出艙。回艙動作則是：頭上腳下回「氣閘艙」；關外氣閘門，充氣加壓；開內氣閘門，回艙。然後關內氣閘門，彈棄「氣閘艙」，離軌降落。

出艙12分鐘後，里奧諾夫在回艙動作中，未按照預定姿勢「頭上腳下」回艙。他過度緊張，做錯了第七步，一頭就扎回氣球式的「氣閘艙」，頭下腳上，被卡住了，無法翻身回去關上外氣閘門，他急得汗流如漿，體溫迅速上升攝氏1.8度，心臟砰砰地加速跳躍，此時已近休克狀態。里奧諾夫本想吞下隨身攜帶的自殺藥丸，請同行太空人狠心彈棄「氣閘艙」，單獨回家。他已決定以「氣閘艙」為棺槨，星辰為珠璣，悲壯地在太空漂流葬身；但求生本能促使他大膽地釋放出艙服的氧氣至27千帕，作最後一搏，萬幸勉強翻了個兒，成功地關上外氣閘門，喘一口大氣，然後加壓，開內氣閘門，回到內艙。

里奧諾夫以釋放出艙服的氧氣自救。出艙前他吸氧排氮只到40千帕純氧壓力，離27千帕的壓力還有一段距離，這是一個向死神挑戰的超級危險動作，如有閃失，殘餘在體內的氮氣就會從他的血液中冒泡而出。所幸出艙服放氣後，壓力降低，軟了，沒出別的事，他才得以有驚無險，逃過一劫。

書摘4
美國歐巴馬政府於2010年2月1日，做了一個石破天驚的決定：取消「回月球、去火星」計畫。從2004年起，美國已投資該計畫共300 億美元，就如同「國際太空站」1,500 億美元的耗費一樣，再次血本無歸，完全泡湯。

人類的太空事業，經太空站和回月球兩計畫轉向，本已相當吃力。吃力歸吃力，方向目標仍然存在。這次又遽然放棄回月球，並且未提出新的航向，太空旗艦已在宇宙中徹底地迷航了。

不管這次霧有多大，我想人類文明在太空中的航標燈依然湛亮地照耀著：去火星。在二十一世紀裡，人類會在去火星之路迂迴前行，時慢時快，總有一天會走到的。